河南省表層土壤全碳與有機(jī)碳地球化學(xué)背景值研究

摘要 基于2003—2020年河南省陸續(xù)完成的1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目的成果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了河南省表層土壤全碳與有機(jī)碳地球化學(xué)背景值特征。結(jié)果表明，河南省表層土壤全碳和有機(jī)碳地球化學(xué)背景值在不同行政區(qū)、不同流域、不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤中差異明顯。表層土壤全碳背景值行政區(qū)空間分布總體表現(xiàn)為西部山前高、東部平原低，北部堿性土壤區(qū)高、南部酸性土壤區(qū)低；流域分布以海河流域—黃河流域—淮河流域—長江流域依次降低；成土母質(zhì)按殘積與殘坡積物—河流沖積物—洪積物—風(fēng)積物—黃土與紅土—河湖相沉積物發(fā)育的土壤全碳背景值逐漸降低。表層土壤有機(jī)碳背景值行政區(qū)總體表現(xiàn)為山前偏高、平原偏低，不同流域的表層土壤有機(jī)碳背景值差異大；成土母質(zhì)以殘積與殘坡積物—洪積物—河湖相沉積物—黃土與紅土—河流沖積物—風(fēng)積物發(fā)育的土壤有機(jī)碳背景值逐漸降低。

關(guān)鍵詞 土壤全碳；土壤有機(jī)碳；地球化學(xué)背景值；河南省

中圖分類號(hào) X13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）19-0045-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.010

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Geochemical Background Values of Total Carbon and Organic Carbon in Surface Soil of Henan Province

GUO Qiang^1，2， CAI Chun-nan^1，2， GU Zhi-yun¹ et al

（1.Henan Geological Research Institute，Zhengzhou，Henan 450000;2. Henan Urban Geological Engineering Technology Research Center， Zhengzhou， Henan 450000）

Abstract Based on the results of the 1∶250 000 regional geochemical survey projects completed in Henan Province from 2003 to 2020， the geochemical background values of total carbon and organic carbon in surface soil in Henan Province were systematically studiRDdzLoVsUDiX01oMhGVaWs+LP17nRxABQHKZawsm22g=ed.The results showed that there were significant differences in the geochemical bacaoiJuWBzTRDHWWvNrH4smUe1EmoPHQGtA6bYtpc1rDE=kground values of total carbon and organic carbon in the surface soil of Henan Province in different administrative regions， watersheds and soils with different parent materials.The overall spatial distribution of the total carbon background value of surface soil in administrative regions showed that it was higher in the western mountainous areas and lower in the eastern plains， higher in the northern alkaline soil areas and lower in the southern acidic soil areas;the distribution of river basins decreased in sequence from the Haihe River Basin to the Yellow River Basin， then to the Huaihe River Basin， and finally to the Yangtze River Basin;the total carbon background value of soil developed from residual and residual slope deposits， river alluvial deposits， alluvial deposits， aeolian deposits， loess and red soil， and river lake sediments gradually decreases.The background values of surface soil organic carbon in administrative regions were generally higher in mountainous areas and lower in plains， and there were significant differences in the background values of surface soil organic carbon in different watersheds;the background value of soil organic carbon developed from residual and residual slope deposits， alluvial deposits， river lake sediments， loess and red soil， river alluvial deposits， and aeolian deposits gradually decreased.

Key words Soil total carbon;Soil organic carbon;Geochemical background values;Henan Province

基金項(xiàng)目 國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（〔2004〕012-11，〔2006〕GZTR001-09，〔2007〕GZTR01-04，〔2008〕GZTR01-07，〔2013〕02-001-019）；河南省地質(zhì)研究院2024年地質(zhì)科技攻關(guān)項(xiàng)目（2024-901-XM05）。

作者簡介 郭強(qiáng)（1983—），男，河南濟(jì)源人，工程師，從事區(qū)域化探、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)工作。

收稿日期 2024-01-08

土壤碳作為土壤中碳元素的總和，由有機(jī)碳和無機(jī)碳組成。土壤有機(jī)碳的形成過程涉及植物殘?bào)w、根系分泌物、微生物代謝產(chǎn)物及動(dòng)物殘骸等生物有機(jī)物質(zhì)的分解，這些物質(zhì)在微生物作用下經(jīng)歷一系列生物化學(xué)轉(zhuǎn)化形成穩(wěn)定的有機(jī)碳形態(tài)。土壤無機(jī)碳則來源于碳酸鹽礦物、溶解的重碳酸鹽和氫氧化物等無機(jī)化合物，它們?cè)谕寥乐幸匀芙鈶B(tài)或與礦物結(jié)合的形式存在，并在土壤pH、碳酸鹽平衡以及土壤通氣性等環(huán)境因素的作用下參與土壤碳的循環(huán)過程。由于土壤碳的構(gòu)成受到氣候、生物、地形、土壤類型等因素的影響，不同地區(qū)土壤碳的地球化學(xué)特征存在差異^［1］。土壤碳是全球碳循環(huán)的重要組成部分，土壤固定碳能力的強(qiáng)弱直接影響了全球碳循環(huán)^［2］，因此掌握研究區(qū)土壤碳地球化學(xué)特征對(duì)該區(qū)的土壤碳循環(huán)意義重大。

1 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

1.1 土壤樣品采集

此次研究土壤樣品分為表層樣（0～20 cm連續(xù)土柱）。根據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶25萬）》^［3］的要求，利用國家標(biāo)準(zhǔn)地形圖（1∶10萬）的方里網(wǎng)，將工作區(qū)按1 km×1 km規(guī)格劃分為網(wǎng)格狀，基本網(wǎng)格為1 km²，野外調(diào)查時(shí)以基本網(wǎng)格為單元采集表層土壤樣品。每個(gè)基本網(wǎng)格內(nèi)采集有代表性樣品1件，采集0～20 cm連續(xù)土柱，樣重1.5 kg，每件土壤樣品在基本網(wǎng)格內(nèi)的4～5個(gè)點(diǎn)上取等量土壤組合，點(diǎn)間距50 m以上，以最大限度地代表基本網(wǎng)格內(nèi)土壤的地球化學(xué)特征，共采集土壤樣品114 772件。根據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶25萬）》^［3］的要求，將相鄰的2 km×2 km大格內(nèi)的4個(gè)基本網(wǎng)格內(nèi)的野外采集原始樣品自然風(fēng)干過20目尼龍篩后等重量縮分，組合成1件分析樣品（200 g），分析土壤全量元素含量，共分析表層土壤樣品28 693件。

1.2 土壤樣品分析

樣品測(cè)試工作由河南省巖礦測(cè)試中心完成，分析方法按照項(xiàng)目實(shí)施單位中國地質(zhì)調(diào)查局的推薦方法執(zhí)行^［4］。全碳使用紅外光譜分析法（IR），稱取0.030 0 g樣品，加入0.3 g純鐵粒和1.0 g純鎢粒，氧氣載流，HCS878A型高頻紅外碳硫分析儀測(cè)定；有機(jī)碳使用容量法（VOL）測(cè)定，稱取0.500 0 g樣品于三角燒杯中，加入5 mL 0.8 mol/L的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、5 mL濃硫酸，搖勻于電熱板上消解，冷卻后加入鄰菲羅啉指示劑，硫酸亞鐵滴定。

1.3 樣品數(shù)據(jù)處理

表層（0～20 cm）土壤背景值是土壤環(huán)境科學(xué)研究不可或缺的基礎(chǔ)性工作。土壤背景值的形成受自然因素和人類活動(dòng)雙重影響，并且隨著時(shí)間的推移而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化^［5］。因此，在實(shí)際工作中，準(zhǔn)確確定土壤背景值是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)?？紤]目前已發(fā)布的絕大多數(shù)土壤碳背景值數(shù)據(jù)采用平均值統(tǒng)計(jì)，為方便對(duì)比研究此次土壤碳的背景值也采用算術(shù)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。此次研究統(tǒng)計(jì)的土壤背景值參數(shù)僅對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，未剔出處理，統(tǒng)計(jì)的參數(shù)包括算術(shù)平均值、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、樣本數(shù)等。

2 土壤全碳與有機(jī)碳背景值的主要影響因素

土壤碳是一個(gè)動(dòng)態(tài)的碳儲(chǔ)庫，不斷有碳流入與輸出，進(jìn)入土壤的有機(jī)碳主要有植物地上部分凋落物、死亡根系、根系淀積物；在干旱和半干旱地區(qū)的pH較高土壤上，可發(fā)生CO吸收^［6］。土壤碳循環(huán)中的輸出項(xiàng)包括由土壤微生物異養(yǎng)呼吸作用產(chǎn)生的碳排放；土壤侵蝕過程中的碳損失；可溶性有機(jī)碳和無機(jī)碳通過淋洗過程的輸出；以及在厭氧土壤環(huán)境或土壤微尺度空間中，甲烷作為溫室氣體的排放。國內(nèi)學(xué)者研究顯示，目前我國土壤碳的主要影響因素有氣候、土壤酸堿度、成土母質(zhì)等^［7-9］，因此研究土壤碳背景值重點(diǎn)關(guān)注這些因素對(duì)其影響。

2.1 氣候的影響

氣候變化會(huì)影響土壤的水分、溫度等環(huán)境因素，從而影響炭質(zhì)的合成、分解和穩(wěn)定性^［10］。在溫度升高和干旱加劇的情況下，土壤中的炭質(zhì)含量會(huì)減少，因?yàn)楦邷睾透珊禃?huì)促使炭質(zhì)的分解和氧化速度加快。而在溫度降低和降雨增加的情況下，土壤中的炭質(zhì)含量會(huì)增加。因?yàn)榈蜏睾透邼穸瓤梢詼p緩炭質(zhì)的分解速度，同時(shí)有利于植物的生長和降解物的合成，進(jìn)而增加炭質(zhì)在土壤中的積累。研究區(qū)具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣、氣候?yàn)?zāi)害頻繁的基本特征，并且存在著自南向北亞熱帶向暖溫帶氣候過渡、自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的2個(gè)特征，因此氣候會(huì)影響研究區(qū)土壤碳在空間分布上的差異。

2.2 酸堿性的影響

酸堿性是土壤的重要化學(xué)性質(zhì)，是土壤在形成過程中受氣候、植被、母質(zhì)等因素綜合作用所產(chǎn)生的屬性，由土壤溶液中氫離子和氫氧離子的濃度決定。土壤酸堿性顯著影響土壤微生物與農(nóng)作物生長，同時(shí)決定土壤物理性質(zhì)及元素的活性和有效性^［11］。研究區(qū)河南省土壤酸堿性自南向北土壤酸性逐漸減弱，南部多酸性土壤，北方多堿性土壤。其中研究區(qū)南部信陽地區(qū)土壤pH是6.26，南陽pH是5.40，屬于酸性土壤；而北部的安陽地區(qū)pH為8.16，濮陽pH是8.30，鄭州pH為8.06，屬于堿性土壤。研究區(qū)表層（0～20 cm）土壤pH地球化學(xué)背景值的特征如表1所示。

2.3 成土母質(zhì)的影響

母質(zhì)是土壤的初始狀態(tài)，是土壤形成的基礎(chǔ)和植物養(yǎng)分元素的最初來源。成土母質(zhì)中礦物及其化學(xué)成分是土壤化學(xué)組成的本源，其礦物及其化學(xué)成分參與土壤物理化學(xué)變化，影響、決定了土壤化學(xué)元素轉(zhuǎn)化、遷移的進(jìn)程。因此母巖及其成土母質(zhì)、化學(xué)組成與土壤環(huán)境背景值有不可割裂的親緣關(guān)系。成土母質(zhì)是影響土壤總有機(jī)碳及其組分的重要因素^［12］。研究區(qū)成土母質(zhì)較復(fù)雜，主要受流域與沉積環(huán)境控制。研究區(qū)分屬黃河流域、海河流域、淮河流域、長江流域4大流域，其中海河流域主要包含安陽、鶴壁、焦作等北部地區(qū)，黃河流域包括三門峽、洛陽大部地區(qū)及鄭州、新鄉(xiāng)、焦作、濟(jì)源部分地區(qū)，淮河流域包含鄭州、開封、商丘、周口、信陽等地大部分區(qū)域，長江流域主要包括南陽地區(qū)。研究區(qū)的成土母質(zhì)主要分為殘積與殘坡積物、風(fēng)積物、河湖相沉積物、河流沖積物、洪積物、黃土與紅土共6類。

3 研究區(qū)土壤全碳與有機(jī)碳地球化學(xué)背景值

3.1 研究區(qū)土壤全碳背景值

3.1.1 不同行政區(qū)土壤全碳背景值。

從表2可以看出，研究區(qū)表層土壤全碳的平均含量背景值約為15.8 g/kg，最小值為0.5 g/kg，最大值為153.6 g/kg，變異系數(shù)為37.44%。分析河南省下轄的18個(gè)城市土壤全碳背景值（表2）發(fā)現(xiàn)，總體表現(xiàn)為西部山前高、東部平原低，北部堿性土壤區(qū)高、南部酸性土壤區(qū)低。其中許昌、洛陽、三門峽、周口、鄭州、開封、安陽、濮陽、濟(jì)源、新鄉(xiāng)、商丘、焦作、鶴壁等市的含量逐漸增高，最高為鶴壁，土壤全碳背景值為21.4 g/kg，焦作次之，土壤背景值為21.3 g/kg；平頂山、漯河、南陽、信陽、駐馬店逐漸降低，駐馬店土壤背景值最低，為10.7 g/kg，其次是信陽，土壤背景值為10.9 g/kg。

3.1.2 不同流域土壤全碳背景值。

通過對(duì)研究區(qū)不同流域表層土壤全碳地球化學(xué)背景值特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表3），區(qū)內(nèi)流域表層土壤全碳含量差異明顯，海河流域—黃河流域—淮河流域—長江流域依次降低，其表層土壤全碳背景值分別為20.6、17.9、15.0、11.5 g/kg。

3.1.3 不同成土母質(zhì)土壤全碳背景值。

從研究區(qū)不同成土母質(zhì)表層土壤全碳地球化學(xué)背景值特征（表4）可以看出，研究區(qū)表層土壤不同成土母質(zhì)區(qū)對(duì)其全碳含量的影響明顯，按殘積與殘坡積物—河流沖積物—洪積物—風(fēng)積物—黃土與紅土—河湖相沉積物發(fā)育的土壤全碳背景值逐漸降低，其土壤全碳背景值分別為17.9、17.7、14.8、14.5、13.6、13.3 g/kg。

3.2 研究區(qū)土壤有機(jī)碳背景值

3.2.1 不同行政區(qū)土壤有機(jī)碳背景值。

研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量背景值平均值為9.5 g/kg，最小值為0.7 g/kg，最大值為154.2 g/kg，變異系數(shù)為38.42%。分析河南省下轄的18個(gè)城市土壤有機(jī)碳背景值（表5）發(fā)現(xiàn)，總體表現(xiàn)為山前偏高、平原偏低的特征。其中周口、駐馬店、洛陽、新鄉(xiāng)、商丘、三門峽、濮陽、開封較全區(qū)明顯偏低，開封土壤有機(jī)碳背景值最低，為7.1 g/kg，其次是濮陽，土壤有機(jī)碳背景值為7.5 g/kg；信陽、安陽、鄭州、漯河、焦作、濟(jì)源、許昌、南陽、平頂山、鶴壁較全區(qū)明顯偏高，鶴壁土壤有機(jī)碳背景值最高，為11.4 g/kg，其次是平頂山，土壤有機(jī)碳背景值為11.3 g/kg。

3.2.2 不同流域土壤有機(jī)碳背景值。

研究區(qū)土壤有機(jī)碳背景值為9.5 g/kg，不同流域的表層土壤有機(jī)碳背景值差異大（表6）?？傮w而言，長江流域土壤有機(jī)碳背景值較高、變異性弱，黃河流域有機(jī)碳背景值偏低、變異性強(qiáng)。長江流域土壤有機(jī)碳背景值為11.0 g/kg，變異系數(shù)為26.16%；黃河流域土壤有機(jī)碳背景值為8.3 g/kg，變異系數(shù)為39.11%；淮河流域土壤有機(jī)碳背景值為9.4 g/kg，變異系數(shù)為37.59%；海河流域土壤有機(jī)碳背景值為10.8 g/kg，變異系數(shù)為35.99%。

3.2.3 不同成土母質(zhì)土壤有機(jī)碳背景值。

從研究區(qū)不同成土母質(zhì)發(fā)育的表層土壤有機(jī)碳地球化學(xué)背景值特征（表7）可以看出，與全區(qū)土壤有機(jī)碳背景值（9.5 g/kg）對(duì)比，不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤有機(jī)質(zhì)背景值差異明顯。研究區(qū)殘積與殘坡積物—洪積物—河湖相沉積物—黃土與紅土—河流沖積物—風(fēng)積物發(fā)育的土壤有機(jī)碳背景值逐漸降低，其土壤有機(jī)碳背景值分別為13.0、10.9、10.6、9.3、8.6、6.2 g/kg。

4 結(jié)論

研究區(qū)表層土壤全碳的平均含量背景值為15.8 g/kg，最小值為0.5 g/kg，最大值為153.6 g/kg，變異系數(shù)為37.44%。行政區(qū)空間分布總體表現(xiàn)為西部山前高、東部平原低，北部堿性土壤區(qū)高、南部酸性土壤區(qū)低，鶴壁土壤全碳背景值最高，為21.4 g/kg，駐馬店土壤背景值最低，為10.7 g/kg；流域分布以海河流域—黃河流域—淮河流域—長江流域依次降低，其中長江流域表層土壤全碳背景值為11.5 g/kg，黃河流域土壤全碳背景值為17.9 g/kg。成土母質(zhì)按殘積與殘坡積物—河流沖積物—洪積物—風(fēng)積物—黃土與紅土—河湖相沉積物發(fā)育的土壤全碳背景值逐漸降低，殘積與殘坡積物發(fā)育的土壤全碳背景值最高，為17.9 g/kg，河湖相沉積物發(fā)育的土壤背景值最低，為13.3 g/kg。

研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量背景值平均值為9.5 g/kg，最小值為0.7 g/kg，最大值為154.2 g/kg，變異系數(shù)38.42%。行政區(qū)有機(jī)碳背景值總體表現(xiàn)為山前偏高、平原偏低，鶴壁土壤有機(jī)碳背景值最高，為11.4 g/kg，開封土壤有機(jī)碳背景值最低，為7.1 g/kg；流域以長江流域土壤有機(jī)碳背景值較高，為11.0 g/kg，黃河流域有機(jī)碳背景值偏低，為8.3 g/kg；成土母質(zhì)以殘積與殘坡積物—洪積物—河湖相沉積物—黃土與紅土—河流沖積物—風(fēng)積物發(fā)育的土壤有機(jī)碳背景值逐漸降低，殘積與殘坡積物發(fā)育的土壤有機(jī)碳背景值最高，為13.0 g/kg，風(fēng)積物發(fā)育的土壤有機(jī)碳背景值最低，為6.2 g/kg。

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